进入DDR2的世界:DDR2内存技术解析

互联网 | 编辑: 2006-06-01 00:00:00编译

尽管目前DDR2内存的平台还没有大规模普及,但可以肯定的,由于低价LGA775平台配件不断下降,Intel与AMD的全面支持,DDR2皇朝的到来只是时间问题。另外,值得我们关注的是,如果只是在频率上进行无休止的竞争的话,那么DDR技术终究会曲终人散,DDR老迈的技术在保持成本不变的

尽管目前DDR2内存的平台还没有大规模普及,但可以肯定的,由于低价LGA775平台配件不断下降,Intel与AMD的全面支持,DDR2皇朝的到来只是时间问题。另外,值得我们关注的是,如果只是在频率上进行无休止的竞争的话,那么DDR技术终究会曲终人散,DDR老迈的技术在保持成本不变的情况下其性能难以有大的突破,而DDR2却满足了一些本质上的问题,随着处理器技术的发展,前端总线对内存带宽的要求是越来越高,拥有更高更稳定运行频率的DDR2内存将会大行其道。

一、什么是DDR2?

  DDR2(Double Data Rate 2) SDRAM是由JEDEC(电子设备工程联合委员会)进行开发的新生代内存技术标准(如图1),与上一代DDR内存不同的是,虽然同是采用了在时钟的上升/下降延同时进行数据传输的基本方式,但DDR2内存却拥有两倍于上一代DDR内存预读取能力(即4bit数据读预取)。也就是说,DDR2内存每个时钟能够以4倍外部总线的速度读/写数据,并且能够以内部控制总线4倍的速度运行。


图1,最新DDR2 533内存

  二、为何要DDR2?

  内存性能,始终是我们所要追求的,从“速度=位宽×频率”的内存性能计算公式来看,提高内存性能有两种方式,增加内存总线的位宽或者是提高内存工作的频率。但问题是,现在由于发热量以及设计等方面的限制,导致内存单元无法提高频率,内存总线位宽也不能轻易增加。

  尽管DDR400中的存储阵列工作频率是200MHz,目前最快的DDR SDRAM的频率(这里不包括那些超频的内存)达到了550MHz,它的内部阵列工作频率达到275MHz,这个频率已经很难再继续提高。此时,就需要一个新的内存标准保证内存频率和性能可以稳定的提高,那就是DDR2内存。

  DDR采用了2位预取(2-bit prefetch),也就是2:1的数据预取,2bit预取架构允许内部的队列(column)工作频率仅仅为外部数据传输频率的一半。在SDRAM中数据传输率完全参考时钟信号,因此数据传输率和时钟频率一样。DDR2采了4位预取(4-bit prefetch),这就是DDR2提高数据传输率的关键,可以在不提高内部存储阵列频率的情况下提高数据输出带宽(如图2)。


图2,DDR与DDR2工作原理

三、DDR2性能优越

  DDR2内存所带来的性能提升是明显的,在同等核心频率下,DDR2内存实际工作频率是DDR内的两倍。这得益于DDR2内存拥有两倍于标准DDR内存的4BIT预读取能力。也就是说,虽然DDR2与DDR一样,都采用了在时钟的上升延和下降延同时进行数据传输的基本方式,但DDR2拥有两倍于DDR的预读取系统命令数据的能力。在同样100MHz的工作频率下,DDR的实际频率为200MHz,而DDR2则可以达到400MHz(如图3)。


图3,DDR与DDR2区别  

另外,在同等工作频率下的DDR和DDR2内存中,DDR2内存的延时要慢于DDR内存,比如说,DDR 200和DDR2-400具有相同的延迟,而DDR2-400具有高一倍的带宽。实际上,DDR2-400和DDR 400具有相同的带宽,它们的带宽都是3.2GB/s,但是DDR400的核心工作频率是200MHz,而DDR2-400的核心工作频率是100MHz,也就是说DDR2-400的延迟要高于DDR400。

  四、功耗更低的DDR2

  发热量,一直是急切解决的问题,尽管目前的DDR内存并不需要太高的容量,但对于未来DDR2内存的散热就不可忽视,举例来说,安装4GB内存到插槽中,在峰值调用下内存的发热量将在35-40W之间,虽然这样容量的内存很少见,但在DDR2平台中,4GB容量已经不是很希奇的事。因此,需要预先解决这个问题,减少发热量最好就是使用新的内存标准。而且内存的工作频率(往往发热量是和工作频率共同增长的)将会得到不断的增加,因此我们也需要尽快解决发热量的问题。

  尽管DDR内存的FBGA封装形式可以很好的工作在200MHz上,当频率更高时,它过长的管脚就会产生很高的阻抗和寄生电容,这会影响它的稳定性和频率提升的难度。这也就是DDR的核心频率很难突破275MHZ的原因,而DDR2内存均采用FBGA封装形式(如图4),FBGA封装可以提供了更为良好的电气性能与散热性,DDR2内存的接口针脚为240pin,而DDR内存的接口针脚为184pin,DDR2内存的电压从原来DDR的 2.5到2.8v降到了1.8v,从而提供了明显的更小的功耗与更小的发热量,芯片温度和写入延迟不定性都得到了下降。为DDR2内存的稳定性、超频性以及未来频率的提升提供了有利条件。


图4,DDR2的FBGA封装

五、DDR2更新的技术

  在新技术方面,与普通DDR内存不同的是,DDR2内存使用了更新的技术,其中最主要的是OCD(Off-Chip Driver)、ODT(On Die Terminator)和Post CAS。OCD被称为离线驱动调整(如图5),DDR2通过OCD技术可以提高信号的完整性,DDR2通过调整上拉(pull-up)/下拉(pull-down)的电阻值使两者电压相等,使用OCD通过减少DQ-DQS的倾斜来提高信号的完整性;通过控制电压来提高信号品质。在I/O Driver新增稳压线路,令充电、放电动作的电压值的误差减至最少,以防止电压不稳定的时候引起资料丢失。


图5,OCD技术工作原理

  DDR2内存本身集成了ODT信号终结器(如图6),在并行总线中,信号传输到一端的尽头之后不会自动消失,而会沿着相反的方向反射回去,这样就会与后面传送过来的信号发生碰撞,导致传输数据出错。一般情况下,工作频率越高,信号反射的现象就越严重,终结器就是用来解决这个问题的,它可以有效的吸收末端信号,防止数据的反射。DDR2内存直接将终结器整合在内存芯片中,以内部逻辑的形态存在。如果多条模组一起工作,系统可以自动控制每一条模组中ODT功能的开启或关闭,这样我们就不必担忧信号会在第一条模组中就被终结掉,而在后续模组中无法生效的问题。


图6,ODT信号终结器

  DDR2通过引入Post CAS功能来解决指令冲突问题,Post CAS是为了提高DDR II内存的利用效率而设定的。Posted CAS是指将CAS(读/写命令)提前几个周期、直接插到RAS信号后面的一个时钟周期(如图7)。这样CAS命令可以在随后的几个周期内都能保持有效,但读/写操作并没有因此提前,总的延迟时间也没有改变。由于CAS信号放在了RAS信号后面一个时钟周期,它的好处在于可以彻底避免信号冲突、提高内存使用效率。但这种功能的效果只有在读写极其频繁的环境下才能得到体现,若是普通应用,Posted CAS反而会增加读取延迟、令系统性能下降。用户通过调整主板CMOS中的设置,来控制Posted CAS功能开启或关闭。


图7,Post CAS工作原理

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